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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer resistiv
schaltenden Speicherzelle, sowie ein Speicherbauelement, insbesondere
ein resistiv schaltendes Speicherbauelement, und ein System mit
einem derartigen Speicherbauelement.
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Bei
herkömmlichen
Speicherbauelementen, insbesondere herkömmlichen Halbleiter-Speicherbauelementen
unterscheidet man zwischen sogenannten Funktionsspeicher-Bauelementen
(z.B. PLAs, PALs, etc.), und sogenannten Tabellenspeicher-Bauelementen, z.B.
ROM-Bauelementen (ROM = Read Only Memory bzw. Festwertspeicher) – insbesondere
PROMs, EPROMs, EEPROMs, Flash-Speicher, etc. –, und RAM-Bauelementen (RAM
= Random Access Memory bzw. Schreib-Lese-Speicher), z.B. DRAMs (Dynamic
Random Access Memory bzw. dynamische Schreib-Lese-Speicher) und SRAMs
(Static Random Access Memory bzw. statische Schreib-Lese-Speicher).
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Ein
RAM-Bauelement ist ein Speicher, bei dem man nach Vorgabe einer
bestimmten Adresse Daten abspeichern und unter dieser Adresse später wieder
auslesen kann. Da in einem RAM-Bauelement
möglichst
viele Speicherzellen untergebracht werden sollen, ist man bemüht, diese
so einfach wie möglich
zu realisieren und dabei so klein wie möglich zu skalieren.
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Bei
SRAMs bestehen die einzelnen Speicherzellen z.B. aus wenigen, beispielsweise
6 Transistoren, und bei sogenannten DRAMs im Allgemeinen nur aus
einem einzigen, entsprechend angesteuerten kapazitiven Element,
z.B. ein Trench-Kondensator,
mit dessen Kapazität
jeweils ein Bit als Ladung gespeichert werden kann. Diese Ladung
bleibt allerdings nur kurze Zeit erhalten; weshalb regelmäßig, z.B.
ca. alle 64 ms, ein sogenannter „Refresh" durchgeführt werden muss.
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Im
Gegensatz hierzu muss bei SRAMs kein "Refresh" durchgeführt werden, da die in der Speicherzelle
gespeicherten Daten gespeichert bleiben, solange dem SRAM eine entsprechende
Versorgungsspannung zugeführt
wird.
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Bei
Nicht-flüchtigen-Speicherbauelementen (NVMs
bzw. Non-Volatile
Memories), z.B. EPROMs, EEPROMs und Flash-Speichern bleiben demgegenüber die
gespeicherten Daten auch dann gespeichert, wenn die Versorgungsspannung
abgeschaltet wird.
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Des
weiteren sind seit kurzem auch sogenannte resistive bzw. resistiv
schaltende Speicherbauelemente bekannt, z.B. sogenannte Phasen-Wechsel-Speicher
(Phase Change Memories) und PMC-Speicher (PMC = Programmable Metallization
Cell), die auch als CBRAM-Speicher (CB = Conductive Bridging) bezeichnet
werden.
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Bei
resistiven bzw. resistiv schaltenden Speicherbauelementen wird ein – z.B. zwischen
zwei entsprechenden Elektroden (d.h. einer Anode, und einer Kathode)
angeordnetes – „aktives" Material durch entsprechende
Schaltvorgänge,
d.h. durch entsprechende Strom- oder Spannungspulse bestimmter Höhe und Dauer,
in einen mehr oder weniger leitfähigen
Zustand versetzt. Dabei wird z.B. der mehr leitfähige Zustand einer gespeicherten,
logischen „Eins" zugeordnet und der
weniger leitfähige Zustand
einer gespeicherten, logischen „Null" oder umgekehrt.
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Bei
Phasen-Wechsel-Speichern (Phase Change Memories, PC memories) kann
als zwischen zwei Elektroden geschaltetes aktives Material beispielsweise
eine Chalcogenidverbindung verwendet werden. Chalcogenidverbindungen
sind beispielsweise eine Ge-Sb-Te- oder eine Ag-In-Sb-Te-Verbindung.
Das Chalcogenidverbindungs-Material hat die Eigenschaft, dass es
durch entsprechende Schaltvorgänge
in einen amorphen, relativ schwach leitfähigen, oder einen kristallinen,
relativ stark leitfähigen Zustand
versetzt werden kann. Dabei kann z.B. der relativ stark leitfähige Zustand
einer gespeicherten, logischen „Eins" zugeordnet werden und der relativ schwach
leitfähige
Zustand einer gespeicherten, logischen „Null" oder umgekehrt.
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Die
Druckschrift US 2004/0076051 A1 offenbart mehrere Verfahren zur
Herstellung einer programmierbaren, resistiv schaltenden Speicherzelle, bei
denen zwischen zwei Elektroden eine Schicht aus aktiven Material
angeordnet wird. Das aktive Material wird mit einem mobilen Material
(Silber) dotiert, um die resistiven Schaltvorgänge zu ermöglichen. Dabei wird das aktive
Material vollständig
und in einem Vorgang mit dem mobilen Material dotiert.
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Bei
PMC-Speichern (PMC = Programmable Metallization Cell) werden beim
Programmieren einer entsprechenden PMC-Speicherzelle – in Abhängigkeit davon, ob ein logische „Eins", oder eine logische „Null" in die Zelle geschrieben
werden soll – mittels entsprechender
Strom- oder Spannungspulse bestimmter Dauer und Intensität sowie
durch diese hervorgerufene elektrochemische Reaktionen in einem zwischen
zwei Elektroden liegenden aktiven Material leitfähige Brücken (z.B. aus Ag oder Cu etc.)
aufgebaut, was zu einem leitenden Zustand der Zelle führt, oder
wieder abgebaut, was zu einem nicht-leitenden Zustand der Zelle
führt.
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PMC-Speicherzellen
bzw. CBRAM-Speicherzellen sind z.B. aus Y. Hirose, H. Hirose, J.
Appl. Phys. 47, 2767 (1975) bekannt sowie z.B. aus M.N. Kozicki,
M. Yun, L. Hilt, A. Singh, Electrochemical Society Proc., Vol. 99-13,
(1999) 298, M.N. Kozicki, M. Yun, S. J. Yang, J.P. Aberouette, J.P.
Bird, Superlattices and Microstructures, Vol. 27, No. 5/6 (2000) 485-488
und R. Neale: "Micron
to look again at non-volatile amorphous memory", Electronic Engineering Design (2002).
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CBRAM-Speicher
sind z.B. in Y. Hirose, H. Hirose, J. Appl. Phys. 47, 2767 (1975),
T. Kawaguchi et. al., "Optical,
electrical and structural properties of amorphous Ag-Ge-S and Ag-Ge-Se
films and comparison of photoinduced and thermally induced phenomena
of both systems",
J. Appl. Phys. 79 (12), 9096, 1996, beschrieben sowie z.B. in M.
Kawasaki et. al., "Ionic
conductivity of Agx(GeSe3)1-x (0<x0.571)
glasses", Solid
State Ionics 123, 259, 1999, etc.
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Bei
CBRAM-Speicherzellen befindet sich in einem Volumen zwischen zwei
Elektroden ein elektrochemisch aktives Material, wie z.B. ein entsprechendes
Chalcogenidmaterial beispielsweise in einer GeSe-, GeS-, AgSe- oder
CuS-Verbindung.
Der oben genannte Schalt-Vorgang basiert bei der CBRAM-Speicherzelle
darauf, dass durch Anlegen entsprechender Strom- oder Spannungspulse
bestimmter Intensität
bzw. Höhe
und Dauer an den Elektroden in dem zwischen den Elektroden angeordneten,
aktiven Material Elemente eines sogenannten Abscheide-Clusters im
Volumen immer weiter anwachsen bis die beiden Elektroden schließlich elektrisch
leitend überbrückt, d.h.
elektrisch leitend miteinander verbunden sind, was dem elektrisch
leitenden Zustand der CBRAM-Zelle entspricht.
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Durch
Anlegen von entsprechend inversen Strom- oder Spannungspulsen kann
dieser Vorgang wieder rückgängig gemacht
werden, wodurch die betreffende CBRAM-Zelle wieder zurück in einen nicht-leitenden
Zustand gebracht werden kann. Auf diese Weise kann ein „Umschalten" zwischen einem Zustand
mit einer höheren
elektrischen Leitfähigkeit der
CBRAM-Speicherzelle und einem Zustand mit einer geringeren elektrischen
Leitfähigkeit
der CBRAM-Speicherzelle erreicht werden.
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Der
Schalt-Vorgang in der CBRAM-Speicherzelle beruht im Wesentlichen
auf der Modulation der chemischen Zusammensetzung und der lokalen Nanostruktur
eines mit einem Metall dotierten Chalcogenidmaterials, das als Festkörperelektrolyt
und Diffusionsmatrix dient. Das reine Chalcogenidmaterial zeigt
typischerweise ein halbleitendes Verhalten und besitzt bei Raumtemperatur
einen sehr hohen elektrischen Widerstand, der um Größenordnungen, d.h.
Zehnerpotenzen des Ohmschen Widerstandswerts höher ist als der eines elektrisch
leitenden Metalls. Durch die über
die Elektroden angelegten Strom- oder Spannungspulse wird die sterische
Anordnung und die lokale Konzentration der ionisch und metallisch
vorliegenden Bestandteile des in der Diffusionsmatrix mobilen Elements
verändert.
Dadurch kann das sogenannte Bridging, d.h. ein elektrisches Überbrücken des
Volumens zwischen den Elektroden von metallreichen Ausscheidungen,
hervorgerufen werden, das den elektrischen Widerstand der CBRAM-Zelle
um mehrere Größenordnungen
verändert,
indem der Ohmschen Widerstandswert um mehrere Zehnerpotenzen gesenkt
wird.
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Eine
Schwierigkeit bei diesem Schalt-Vorgang in einer CBRAM-Speicherzelle besteht
darin, dass der elektrische Widerstand zwischen den Elektroden bei
einem bestimmten Zustand der Zelle („leitend" oder „nicht leitend") relativ stark variieren
kann. Diese Variation erschwert die Bewertung bzw. die Unterscheidung
zwischen dem leitenden und dem nicht leitenden Zustand durch eine
entsprechende Auswerte-Schaltung.
Das heißt,
dass die Ermittlung erschwert wird, ob zuletzt in der betreffenden
Speicherzelle eine logische „Null", oder eine logische „Eins" abgespeichert wurde.
Eine weitere Schwierigkeit besteht darin, dass die CBRAM-Speicherzelle im „unkonditionierten" Zustand keine reproduzierbaren Schalteigenschaften
aufweist. Es ist daher notwendig, die Speicherzelle zu konditionieren,
d.h. die Dotierung der Speicherzelle genau kontrollieren zu können, um
ein reproduzierbares Schaltverhalten zu erreichen.
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Die
CBRAM-Speicherzelle muss daher vor dem oben beschriebenen Schaltverhalten
konditioniert werden. Das heißt,
die Dotierung der zwischen den Elektroden angeordneten Chalcogenidmatrix muss
mit einem mobilen, metallischen Element reproduzierbar eingestellt
werden, um eine gute Steuerung der Gesamtkonzentration bzw. eine
gute Kontrollierbarkeit des metallischen Elements und damit eine
gute Steuerung des elektrischen Widerstands in der CBRAM-Speicherzelle zu
erreichen.
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Das
Konditionieren einer CBRAM-Speicherzelle ist bislang z.B. mittels
Photodiffusion erfolgt, d.h. es wird eine Probe, die beispielsweise
durch eine Metall-Schicht auf einem Chalcogenidmaterial erzeugt
werden kann, mit Licht im ultravioletten Frequenzbereich belichtet,
wodurch das Metall in die Probe getrieben wird. Dieses Verfahren
wird in der Literatur auch als Photodiffusion bezeichnet und führt zu einem
bestimmten metallischen Dotierprofil des Chalcogenidmaterials, bei
dem sich metallreiche Ausscheidungen in der Chalcogenidmatrix ausbilden.
Auf diese Weise entsteht in der Chalcogenidschicht eine dotierte
und eine undotierte Phase.
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Andere
Verfahren, durch die eine Konditionierung der Probe erreicht wird,
sind beispielsweise thermische Verfahren, bei denen eine reguläre Diffusion
eintritt, oder Implantationsverfahren. Diese Verfahren können auch
kombiniert werden, um eine Dotierung der Chalcogenidmatrix zu erreichen.
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Ein
Nachteil beim thermischen Verfahren besteht darin, dass die Amorphizität der Probe
verloren gehen kann, da eine Nanokristallisation mit anschließendem Kornwachstum
eintritt, welche die Nano- bzw. Mikrostruktur der Probe wesentlich
verändert. Die
Ionenbeweglichkeit des metallischen Dotierstoffs ist aber in der
Regel in kristallinen Materialien um Größenordnungen geringer, was
eine signifikante Degradation der Speicherzelleneigenschaften mit sich
bringen kann.
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Ein
Nachteil des Photodiffusionsprozesses besteht u.a. darin, dass das
Dotierprofil durch den photostimulierten Dotierprozess sehr steil
ist, da die Beweglichkeit der Ionen in der metallreichen Phase deutlich
höher ist.
Daraus ergibt sich eine äußerst kritische
Prozessführung,
denn sobald die steile Dotierkante des Photo-Diffusionsprofils an
der Grenzfläche die
gegenüberliegende
Elektrode erreicht, ist die Speicherzelle irreversibel elektrisch
kurzgeschlossen. Wenn sich andererseits das Photo-Diffusionsprofil
nicht weit genug durch die Chalcogenidmatrix ausbildet, ist zusätzlich noch
ein elektrischer Formierpuls erforderlich, der das metallische Material durch
lokales Erhitzen thermisch in das Chalcogenidmaterial eintreibt.
Der elektrische Formierpuls ist jedoch mit einigen Halbleiterfertigungsprozessen
von Massenprodukten nicht vereinbar, da eine elektrische Konditionierung
keine ausreichende Reproduzierbarkeit gewährleistet.
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Ein
Nachteil des Implantationsprozesses besteht darin, dass extrem hohe
Dosen von Metall implantiert werden müssen, was eine sehr hohe Implantationsleistung
und/oder eine sehr hohe Dauer des Implantationsprozesses erfordert.
Eine weitere Schwierigkeit ergibt sich daraus, dass die implantierten
Dotierungsverläufe
sehr flach ausgebildet werden, da andernfalls eine unerwünschte Durchmischung
bzw. bei zu tiefen Implantationsprofilverläufen ein elektrischer Kurzschluss
entsteht.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein neuartiges Verfahren bereitzustellen,
das eine reproduzierbare Konditionierung bei der Herstellung einer
CBRAM-Speicherzelle ermöglicht,
sowie ein System mit einem derartigen Speicherbauelement zur Verfügung zu
stellen. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht insbesondere
darin, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem es möglich ist,
die Diffusion der Ionen im Chalcogenidmaterial der CBRAM- Speicherzelle zu
kontrollieren und damit das Konzentrationsprofil zwischen der dotierten
und undotierten Phase der Chalcogenidmatrix zu optimieren.
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Die
Aufgabe und weitere Ziele werden nach der vorliegenden Erfindung
durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der
Erfindung sind in den Unteransprüchen
angegeben.
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Gemäß einem
Grundgedanken der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer
Speicherzelle, insbesondere einer resistiv schaltenden Speicherzelle
zur Verfügung
gestellt, die eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode mit
einem dazwischen angeordnetem aktiven Material aufweist, das durch
elektrochemische Schaltvorgänge
in einen ersten Zustand mit geringerer elektrischer Leitfähigkeit und
in einen zweiten Zustand mit höherer
elektrischer Leitfähigkeit
versetzbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die folgenden
Schritte umfasst:
- (a) Dotieren des aktiven
Materials (3) in einem Dotierungsprozess durch Eindiffundieren
eines mobilen Materials in das aktive Material (3) von der
ersten Elektrode (2a) in Richtung zur zweiten Elektrode
(2b) zur Erzeugung eines dotierten Bereichs (H),
- (b) Durchführen
eines Retraktionsprozesses durch zumindest teilweise Retraktion
des in das aktive Material (3) eindiffundierten mobilen
Materials aus einem Bereich nahe der zweiten Elektrode (2b)
zur Erzeugung oder Modifizierung eines Dotierprofils zwischen dem
dotierten Bereich (H) und einem undotierten Bereich (U), wobei der
Retraktionsprozess während
eines Front-End-of-Line-Prozesses stattfindet.
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Auf
diese Weise wird das mobile Material im ersten Teil des Verfahrens,
dem Dotierungsprozess (a), von der ersten Elektrode in das aktive
Material eindiffundiert, wobei der Dotierungsprozess soweit betrieben
werden kann, bis das mobile Material durch das aktive Material vollständig durchdiffundiert
ist und die zweite Elektrode erreicht hat. Im zweiten Teil des Verfahrens,
dem Retraktionsprozess (b),
wird das mobile Material in Richtung
von der zweiten Elektrode zur ersten Elektrode zumindest teilweise zurückdiffundiert,
so dass der Bereich nahe der zweiten Elektrode wieder einen undotierten
Zustand annimmt. Dadurch wird der Bereich nahe der zweiten Elektrode
und damit die Speicherzelle insgesamt konditioniert, d.h. die Dotierung
der Speicherzelle kann exakt kontrolliert werden, was eine Voraussetzung
eines reproduzierbaren Schaltverhaltens der Speicherzelle darstellt.
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Dabei
besteht das aktive Material vorzugsweise aus einer Chalcogenidverbindung,
insbesondere einer GeSe-, GeS-, AgSe-, CuS-, Ge-Sb-Te- oder eine
Ag-In-Sb-Te-Verbindung, das eine Chalcogenidmatrix bildet, in dem
sich das mobile Material bewegen bzw. darin eindiffundiert werden
kann. Das mobile Material besteht beispielsweise aus Alkali-Ionen
bzw. Metallionen, insbesondere aus Ag oder Cu.
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Die
oben genannte Aufgabe wird folglich durch die vorliegende Erfindung
gelöst,
indem die zu tief in die Chalcogenidmatrix eindiffundierten Ionen durch
den erfindungsgemäßen Ionenretraktionsprozess
zumindest teilweise wieder zurückdiffundieren, so
dass sich die Möglichkeit
ergibt, das Konzentrationsprofil zwischen dem dotierten und undotierten
Bereich in der Chalcogenidschicht zu kontrollieren und damit zu
optimieren. Die vorliegende Erfindung stellt somit ein Verfahren
bereit, bei dem die Eindringtiefe der Metallatome in das Chalcogenidmaterial
während
des sogenannten Front-End of Line Prozessierens wieder reduziert
werden kann.
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Nach
der vorliegenden Erfindung ergeben sich neue Möglichkeiten der Prozessführung zur
Herstellung von CBRAM-Speicherzellen.
Gemäß einer bevorzugten
Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist beispielsweise ein temporäres Überdotieren
der Chalcogenidmatrix durch einen Überdotierungsprozess möglich, das
im weiteren Prozessverlauf wieder rückgängig gemacht werden kann.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung wird der oben genannte Dotierungsprozess
(a) daher in die folgenden Teilschritte unterteilt:
- – (a1)
Dotieren des aktiven Materials durch Eindiffundieren eines mobilen
Materials in das aktive Material in einem Dotierungsprozess,
- – (a2) Überdotieren
des aktiven Materials durch ein über
den Verfahrensschritt (a1) hinausgehendes Eindiffundieren des mobilen
Materials in das aktive Material in einem Überdotierungsprozess, so dass
in dem aktiven Material ein dotierter Bereich von der ersten Elektrode
bis zur zweiten Elektrode ausgebildet wird.
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Dabei
kann der Prozessablauf wesentlich vereinfacht werden, indem bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
selbsjustierende Prozesse angewandt werden. Selbstjustierend heißt in diesem
Zusammenhang, dass verschiedene Lithographie-Ebenen bzw. Lithographie-Prozesse
keine Fehljustierung zueinander aufweisen. Aufgrund der selbsjustierenden Prozesse
kann die Fläche
der Speicherzelle deutlich reduziert und damit die Größe der CBRAM-Speicherzelle
selbst verringert werden.
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Zweckmäßigerweise
ist das aktive Material zwischen zwei Elektroden angeordnet und
der Dotierungsprozess (a bzw. a1) und/oder der Überdotierungsprozess (a2) wird
so ausgeführt,
dass das mobile Material von der einen Elektrode bis zur anderen Elektrode
in das aktive Material eindiffundiert wird. Auf diese Weise wird
in dem aktiven Material bzw. in der Chalcogenidmatrix eine dotierte
bzw. überdotierte
Phase und eine undotierte Phase ausgebildet, wobei eine bestimmte
Eindringtiefe des mobilen Materials in das aktive Material bzw.
die Metall-Ionen, insbesondere in einem Bereich zwischen der dotierten bzw. überdotierten
Phase und der undotierten Phase im aktiven Material erzielt wird.
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Ferner
lässt sich
durch das erfindungsgemäße Verfahren
in dem aktiven Material bzw. in der Chalcogenidmatrix ein bestimmtes
Konzentrationsprofil des mobilen Materials bzw. der Metall-Ionen, insbesondere
in dem Bereich zwischen der dotierten bzw. überdotierten Phase und der
undotierten Phase im aktiven Material ausbilden. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
ist es folglich möglich,
bei der Herstellung von CBRAM-Speicherzellen
die Diffusion der Ionen im Chalcogenidmaterial der CBRAM-Speicherzelle
zu kontrollieren und damit das Konzentrationsprofil zwischen der
dotierten und undotierten Phase der Chalcogenidmatrix zu optimieren.
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Die
vorliegende Erfindung nutzt im wesentlichen den Effekt aus, dass
bewegliche Ionen, wie z.B. Alkali-Ionen, in isolierenden Gläsern je
nach Polarität mit
einer von außen
aufgebrachten Ladung an die Schichtoberfläche gezogen oder tiefer in
das Volumen bzw. an die entgegengesetzte Oberfläche getrieben werden können. Mit
Hilfe dieser elektrischen Aufladung kann das Konzentrationsprofil
in der Chalcogenidschicht modifiziert werden, was eine Optimierung
des resultierenden Diffusionsprofils ermöglicht. Dabei kann die Chalcogenidschicht
beispielsweise mittels Photodiffusion bereits vorkonditioniert sein. Unter
einer Optimierung des Diffusionsprofils kann in diesem Fall sowohl
eine Verbreiterung der Grenzfläche,
eine Homogenisierung oder auch eine Verbesserung im Hinblick auf
die Steilheit des Profils zwischen undotiertem und dotiertem Bereich
in der Chalcogenidschicht verstanden werden.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird das mobile Material mit einer von
außen
vorzugsweise über die
Elektroden auf das aktive Material aufgebrachten elektrischen Ladung
entsprechender Polarität
eindiffundiert bzw. zurückdiffundiert.
Die Aufladung der elektrischen Ladung kann beispielsweise durch
Edelgas-Ionenstrahlen oder durch Kontakt mit einem Hochfrequenz-Edelgasplasma
erfolgen. Das Potential einer floatenden Oberfläche, wie z.B. einer Ag/Ge-Se-Schicht,
im Plasma beträgt
im Mittel etwa 10V bis 15V gegenüber
dem Plasmapotential bei den in Beschichtungsprozessen und Ätzprozessen
derzeit üblichen
Plasmaelektronentemperaturen von einigen eV.
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Das
Potential wird dabei im wesentlichen durch die Elektronentemperatur
bestimmt und diese ist bei fester Plasmaanregungsfrequenz wiederum abhängig vom
Gasdruck und von der externen Hochfrequenz-Leistung, die in das
Plasma eingespeist wird. Mit diesen beiden Parametern lässt sich
das Potential der floatenden Oberfläche, das sogenannte floating
Potential und damit auch das Tiefenprofil der Metall-Ionen, wie
z.B. Ag, in der Chalcogenidschicht, wie z.B. Ge-Se, variieren.
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Obwohl
grundsätzlich
auch kapazitiv gekoppelte Hochfrequenz-Plasmen beispielsweise mit einer Anregungsfrequenz
von 13,56 MHz einsetzbar sind, ist ein induktiv angeregtes Plasma
bei einer Frequenz von 27 MHz (high dense plasma) besonders geeignet,
wie es derzeit häufiger
für Ätzprozesse
benutzt wird. In diesem induktiv gekoppelten Plasma lässt sich
das Substrat mit der Ag/Ge-Se-Schicht geometrisch besser anordnen
und elektrische Wechselwirkung mit den Elektrodenflächen, wie
sie in den kapazitiv gekoppelten Plasmen eingesetzt werden, lassen
sich besser vermeiden.
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Als
Arbeitsgas für
die Plasmaentladung eignen sich neben Argon (Ar) besonders auch
Edelgase mit niedrigeren Massen wie Neon (Ne) und Helium (He), da
mit diesen Arbeitsgasen Sputtereffekte durch auftreffende Ionen
vernachlässigbar
sind.
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Eine
nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
hergestellte CBRAM-Speicherzelle
weist aufgrund der verbesserten Konditionierung zuverlässigere
und eindeutiger bewertbare elektrische Schalteigenschaften auf.
Außerdem
ist bei dem Verfahren nach der vorliegenden Erfindung kein Formierschritt mehr
erforderlich.
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Im
folgenden wird die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele
und der beigefügten Zeichnungen
näher erläutert. In
den Zeichnungen zeigt:
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1 eine
schematische Darstellung einer resistiv schaltenden Speicherzelle
und einer daran angeschlossenen, zentralen Steuer-Einrichtung;
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2 ein
Diagramm zur Veranschaulichung der Metallkonzentration in der Chalcogenidschicht bei
der Herstellung einer CBRAM-Speicherzelle nach einem Dotierungsprozess
gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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3 ein
Diagramm zur Veranschaulichung der Metallkonzentration bzw. des
Konzentrationsprofils des mobilen Materials in der Chalcogenidschicht bei
der Herstellung einer CBRAM-Speicherzelle während und nach einem Überdotierungsprozess
gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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4 ein
Diagramm zur Veranschaulichung der Metallkonzentration bzw. des
Konzentrationsprofils des mobilen Materials in der Chalcogenidschicht bei
der Herstellung einer CBRAM-Speicherzelle während und nach einem Retraktionsprozess
gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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In 1 ist
schematisch und beispielhaft der Aufbau einer resistiv schaltenden
Speicherzelle 1 und einer daran angeschlossenen, zentralen
Steuer-Einrichtung 5 gezeigt.
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Auf
einem entsprechenden Speicherbauelement bzw. Speicherchip können eine
Vielzahl von ähnlichen
oder identisch wie die in 1 gezeigte Speicherzelle 1 aufgebaute
und arbeitende weitere Speicherzellen angeordnet sein, so z.B. in
einem entsprechenden Speicherzellen-Feld in mehreren Reihen bzw.
Spalten nebeneinanderliegend. Nachfolgend wird die prinzipielle
Funktionsweise einer resistiv schaltenden Speicherzelle beispielhaft
erläutert.
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Bei
den Speicherzellen 1 kann es sich um beliebige, resistiv
schaltende Speicherzellen handeln, wie z.B. Phasen-Wechsel-Speicherzellen (Phase
Change Memory Cells) oder CBRAM-Speicherzellen
(CB = Conductive Bridging). Unter Steuerung einer zentralen, auf
dem Speicherbauelement vorgesehenen Steuer-Einrichtung 5 können in
den Speicherzellen 1 des Speicherbauelements spezielle Schreib-
bzw. Löschvorgänge durchgeführt werden.
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Wie
aus 1 hervorgeht, weist jede der o.g. Speicherzellen 1 zwei
entsprechende Metall-Elektroden 2a, 2b, d.h. eine
Anode und eine Kathode auf. Als Material für die Elektroden 2a, 2b kann ein
Metall, wie z.B. Wolfram, bzw. eine Metall-Legierung verwendet werden,
wie z.B. TiN, TiSiN, TiAIN, TaSiN, TiW etc. oder ein anderes geeignetes
Elektroden-Material.
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Zwischen
den Elektroden 2a, 2b ist eine Schicht 3 aus
elektrochemisch aktivem Material angeordnet. Das elektrochemisch
aktive Material besteht aus einer Chalcogenidverbindung, insbesondere
einer GeSe-, GeS-, AgSe-, CuS-Verbindung, das eine Chalcogenidmatrix
bildet. In der Chalcogenidmatrix kann sich mobiles Material, wie
z.B. Alkali-Ionen bzw. Metallionen, insbesondere aus Ag oder Cu, bewegen
bzw. darin eindiffundiert werden.
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Die
zumindest teilweise mit mobilem Material dotierte aktive Materialschicht 3 kann
durch entsprechende – z.B.
von der zentralen Steuer-Einrichtung 5 gesteuerte – Schaltvorgänge, insbesondere
durch Anlegen entsprechender Strom- oder Spannungspulse bestimmter
Höhe und
Dauer in einen mehr oder weniger leitfähigen Zustand versetzt werden,
wobei z.B. der mehr leitfähige
Zustand einer gespeicherten, logischen „Eins" entspricht und der weniger leitfähige Zustand
einer gespeicherten, logischen „Null" oder umgekehrt.
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Das
Chalcogenidverbindungs-Material kann auch durch entsprechende – z.B. durch
die zentrale Steuer-Einrichtung 5 gesteuerte – Schaltvorgänge, insbesondere
durch Strom- oder Spannungspulse bestimmter Höhe und Dauer in einen relativ
schwach leitfähigen,
oder einen relativ stark leitfähigen
Zustand versetzt werden, wobei z.B. der relativ stark leitfähige Zustand
einer gespeicherten, logischen „Eins" zugeordnet kann und der relativ schwach
leitfähige
Zustand einer gespeicherten, logischen „Null" oder umgekehrt.
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Um
bei der Speicherzelle 1 einen Wechsel von einem relativ
schwach leitfähigen
Zustand des aktiven Materials in einen relativ stark leitfähigen Zustand
zu erreichen, kann an den Elektroden 2a, 2b – z.B. gesteuert
durch die zentrale Steuer-Einrichtung 5 – ein entsprechender
Strom-Puls entsprechender Höhe
und Dauer angelegt werden, der aufgrund des relativ hohen Widerstands
der aktiven Materialschicht 3 dazu führt, dass sich zwischen den
Elektroden elektrisch leitfähige
Brücken
ausbilden, die einen geringeren Ohmschen Widerstand aufweisen.
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2 zeigt
ein Diagramm zur Veranschaulichung der Metallkonzentration in der
Chalcogenidschicht bei der Herstellung einer CBRAM-Speicherzelle
nach einem Dotierungsprozess gemäß einer bevorzugten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Die X-Achse des Diagramms bezeichnet
die Strecke zwischen den Elektroden 2a und 2b,
zwischen denen das elektrochemisch aktive Material bzw. die Chalcogenidmatrix
der CBRAM-Speicherzelle angeordnet ist. Über die Y-Achse des Diagramms
ist die Konzentration des mobilen Materials bzw. der Metall-Ionen
in der Chalcogenidmatrix aufgezeichnet. In 2 ist das
schematische Dotierprofil bzw. Konzentrationsprofil K1 des mobilen
Metalls nach dem beispielsweise mittels Photodiffusion durchgeführten Konditionierungsprozess
dargestellt.
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In 2 ist
zu erkennen, dass nach dem erfindungsgemäßen Dotierungsprozess in einer
bevorzugten Ausführungsform
ein dotierter bzw. hochdotierter Bereich H im Chalcogenidmaterial
ausgebildet wurde, der sich ausgehend von der ersten Elektrode 2a in
die Chalcogenidmatrix hinein erstreckt. Da die Eindringtiefe der
Metall-Ionen nicht bis zur zweiten Elektrode 2b reicht,
verbleibt ein undotierter Bereich U zwischen dem dotierten bzw.
hochdotierten Bereich H und der zweiten Elektrode 2b, der
sich wenige Nanometer bis zur zweiten Elektrode 2b hin
erstreckt.
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Somit
ist nach dem erfindungsgemäßen Dotierungsprozess
in einer bevorzugten Ausführungsform
ein Dotierprofil K1 der Metall-Ionen in der Chalcogenidmatrix entstanden,
das sich über
einen dotierten bzw. hochdotierten Bereich H mit einer Intensität von ca.
30% über
einen Großteil
der Chalcogenidmatrix hinein erstreckt, während ein undotierter Bereich
U zwischen dem dotierten bzw. hochdotierten Bereich H und der zweiten
Elektrode 2b verbleibt. Auf diese Weise liegt die Grenzfläche zwischen hochdotiertem
Chalcogenid und undotiertem Chalcogenid deutlich vor der Grenzfläche zwischen
dem Chalcogenidmaterial und der zweiten Elektrode 2b.
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3 zeigt
ein Diagramm zur Veranschaulichung der Metallkonzentration bzw.
des Konzentrationsprofils des mobilen Materials in der Chalcogenidschicht
bei der Herstellung einer CBRAM-Speicherzelle während und nach einem Überdotierungsprozess
gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Wie in 2 bezeichnet
die X- Achse des
Diagramms die Strecke zwischen den Elektroden 2a und 2b,
zwischen denen das elektrochemisch aktive Material bzw. die Chalcogenidmatrix der
CBRAM-Speicherzelle angeordnet ist, während über die Y-Achse des Diagramms
die Konzentration des mobilen Materials bzw. der Metall-Ionen in
der Chalcogenidmatrix aufgezeichnet ist.
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In 3 ist
sowohl das schematische Dotierprofil bzw. Konzentrationsprofil K1
des mobilen Metalls nach dem Konditionierungsprozess – in gestrichelter
Linie – gezeigt
als auch das schematische Dotierprofil bzw. Konzentrationsprofil
K2 des mobilen Metalls nach dem Überdotierungsprozess – in durchgezogener
Linie – dargestellt.
Der Überdotierungsprozess
kann beispielsweise mittels verlängerter Photodiffusion
vorgenommen werden.
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In 3 ist
zu erkennen, dass durch den erfindungsgemäßen Überdotierungsprozess in einer bevorzugten
Ausführungsform
der dotierte bzw. hochdotierte Bereich H im Chalcogenidmaterial
weiter in den vormals undotierten Bereich V ausgedehnt wird, bis
sich der dotierte bzw. hochdotierte Bereich H nahezu durch die gesamte
Chalcogenidmatrix fast bis zur zweiten Elektrode 2b hin
erstreckt.
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Somit
ist nach dem erfindungsgemäßen Überdotierungsprozess
in einer bevorzugten Ausführungsform
ein Dotierprofil K2 der Metall-Ionen in der Chalcogenidmatrix entstanden,
das sich über
einen dotierten bzw. hochdotierten Bereich H mit einer Intensität von ca.
30% nahezu über
die gesamte Chalcogenidmatrix von der ersten Elektrode 2a fast
bis zu der zweiten Elektrode 2b erstreckt. Auf diese Weise liegt
die Grenzfläche
zwischen hochdotiertem Chalcogenid und undotiertem Chalcogenid nahe
bei der Grenzfläche
zwischen dem Chalcogenidmaterial und der zweiten Elektrode 2b.
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Nach
diesem Überdotierungsprozess
ist das Chalcogenidmaterial für
den Betrieb einer CBRAM-Speicherzelle zu stark übersättigt, da die Grenzfläche zwischen
hochdotiertem Chalcogenid und undotiertem Chalcogenid zu weit in
das Chalcogenidmaterial gewandert ist. Daher ist in diesem Dotierungszustand
kein optimaler oder gar kein Betrieb der CBRAM-Speicherzelle als
reversibel schaltendes Element möglich.
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4 zeigt
ein Diagramm zur Veranschaulichung der Metallkonzentration bzw.
des Konzentrationsprofils des mobilen Materials in der Chalcogenidschicht
bei der Herstellung einer CBRAM-Speicherzelle während und nach einem Retraktionsprozess gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Wie in den 2 und 3 bezeichnet
die X-Achse des Diagramms die Strecke zwischen den Elektroden 2a und 2b,
zwischen denen das elektrochemisch aktive Material bzw. die Chalcogenidmatrix
der CBRAM-Speicherzelle
angeordnet ist, während über die
Y-Achse des Diagramms die Konzentration des mobilen Materials bzw.
der Metall-Ionen in der Chalcogenidmatrix aufgezeichnet ist.
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In 4 ist
sowohl das schematische Dotierprofil bzw. Konzentrationsprofil K2
des mobilen Metalls nach dem Überdotierungsprozess – in gestrichelter
Linie – gezeigt
als auch das schematische Dotierprofil bzw. Konzentrationsprofil
K3 des mobilen Metalls nach dem erfindungsgemäßen Retraktionsprozess in einer
bevorzugten Ausführungsform – in durchgezogener
gestrichelter Linie – dargestellt.
Der Retraktionsprozess kann beispielsweise durch Beaufschlagen der
Elektroden 2a und 2b mit Ladungen entsprechender
Polarität
erfolgen.
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Ein
Vergleich des in gestrichelter Linie dargestellten schematischen
Dotierprofils K2 des mobilen Metalls nach dem Überdotierungsprozess mit dem
in durchgezogener Linie dargestellten schematischen Dotierprofil
K3 des mobilen Metalls nach dem Retraktionsprozess lässt erkennen,
dass durch den Retraktionsprozess der dotierte bzw. hochdotierte
Bereich H aus dem Chalcogenidmaterial teilweise zurückgezogen
wird. Durch den Rückzug
der Dotierungsflanke von der zweiten Elektrode verbleibt in der
Chalcogenidschicht nach dem Retraktionsprozess ein dotierter bzw.
hochdotierter Bereich H, der sich von der ersten Elektrode 2a nur
noch über
einen Teil der Chalcogenidmatrix erstreckt.
-
An
den dotierten bzw. hochdotierten Bereich H schließt sich
nun ein überdotierter
Bereich Ü an, der
sich nach der Retraktion nicht mehr bis zur zweiten Elektrode 2b erstreckt,
da der Konzentrationsverlauf durch den Retraktionsprozess retrograd
optimiert wurde. Auf diese Weise ist das Chalcogenidmaterial zum
Betrieb einer CBRAM-Speicherzelle korrekt und besser konditioniert,
als nach dem Photodiffusionsprozess. In diesem Dotierungszustand
ist ein optimaler Betrieb der CBRAM-Speicherzelle als reversibel
schaltendes Element möglich.
-
- 1
- Speicherzelle
- 2a
- Elektrode
- 2b
- Elektrode
- 3
- aktives
Material bzw. Chalcogenidmatrix
- 4
- mobiles
Material bzw. Metall-Ionen
- 5
- Steuer-Einrichtung
- H
- Dotierter
bzw. hochdotierter Bereich
- K1
- Dotierprofil
der Metall-Ionen nach dem Dotierungsprozess
- K2
- Dotierprofil
der Metall-Ionen nach dem Überdotierungsprozess
- K3
- Dotierprofil
der Metall-Ionen nach dem Retraktionsprozess
- U
- undotierter
Bereich
- Ü
- überdotierter
Bereich
- V
- vormals
undotierter Bereich
- x
- Strecke
zwischen den Elektroden 2a und 2b
- y
- Konzentration
der Metall-Ionen